Розрахунок металорізальних інструментів (черв'ячної фрези, комбінованої розвертки та протяжки)

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

На тему: «Розрахунок металорізальних інструментів»

1. Розрахунок черв'ячної фрези для обробки зубчастого колеса

1.1 Вихідні дані для проектування черв'ячних фрез

При розрахунку модульної черв'ячної фрези вихідними параметрами є:

модуль колеса, що нарізається, m=4 мм;

кут нахилу зубців колеса, =0°;

кут профілю на ділильному діаметрі α=20°;

число зубців колеса, що нарізається, Zк=35;

точність оброблюваного колеса, Ст. 8-D;

матеріал оброблюваної колеса чавун НВ180.

Висоту голівки haк і ніжки hfк, зубця колеса, що нарізається, товщину зубця Sдк та шаг tdк по ділильному діаметрі визначаю по формулах теорії зубчастого зачеплення:

haк=1,0∙ m=1,0∙4=4 мм;

hfк=1,25∙m=1,25∙4=5 мм;

Saк=0,5∙πm=0,5∙π ∙4=6,283 мм;

tdк=πm=π ∙4=12,57 мм

1.2 Аналіз і технічне обґрунтування прийнятої конструкції фрези

Черв'ячні фрези застосовують для чорнового, напівчистового і чистового нарізування циліндричних прямозубих, косозубих і черв'ячних зубчастих коліс з модулем 0,1…40 мм. У залежності від призначення і розмірів черв'ячні фрези виготовляють класів точності ААА, АА, А, В, С и Д, які рекомендуються відповідно для нарізування зубчастих коліс ступеня точності Ст. 5–6, Ст. 7, Ст. 8, Ст. 9 і Ст. 11. Фрези класів ААА та АА відносяться до прецизійних, інші – до фрез загального призначення.

Відповідно до технічних вимог різальна частина фрези повинна виготовлятися зі швидкорізальної сталі зі змістом ванадію не менш 3% і кобальту більш 5% із твердістю робочої частини 63…67 HRCЭ, наприклад, зі сталі Р6М3К5, Р3М5К5. Черв’ячні фрези можна виготовлювати цільними або збірними зі вставними рейками. У цьому випадку корпус фрези виготовлюють із конструкційної легованої сталі, наприклад, 40Х, а ріжучу частину – із швидкорізальної сталі.

По числу заходів (витків) фрези бувають однозаходні (для чистової обробки) і багатозаходні (для чорнової обробки).

Як інструмент черв'ячну фрезу одержують з архімедового, конвалютного або евольвентного черв'яка шляхом прорізання стружкових канавок і затилування задніх поверхонь. Правильне зачеплення з евольвентним зубчастим колесом забезпечує тільки евольвентний черв'як, тому спрофільовані на його основі фрези є найбільш точними унаслідок відсутності органічних погрішностей. Але вони складні в виготовлені і переваги точності втрачаються після декількох перезагострювань. Фрези, які спрофільовані на базі архімедового черв'яка, мають найбільше наближення до евольвентного. Вони більш технологічні в виготовленні, тому набули найбільшого розповсюдження. На базі евольвентного черв'яка виготовляють фрези класу точності ААА модулем 1…10 мм. Можуть виготовлятися фрези класу точності АА. Фрези більш низьких класів точності, частіш за все, виготовлюють на базі архімедового черв'яка.

Стружкові канавки можуть бути прямими (рівнобіжними осі фрези) або гвинтовими.

На підставі аналізу конструкції і ступеня точності колеса, що нарізується, з урахуванням літературних рекомендацій вибираю фрезу цільну однозаходну, клас точності фрези – В, матеріал фрези – швидкорізальна сталь Р6М3К5.

1.3 Проектний розрахунок фрези

Розрахунок черв'ячних фрез полягає, головним чином, у визначенні розмірів профілю фрези в нормальному і осьовому перетинах.

1.3.1 Визначення розмірів фрези в нормальному перетині

1. Модуль, профільний кут, крок зубців по ділильної прямої фрези приймаються рівними відповідно модулеві, профільному куту, кроку зубців оброблюваного колеса

mи = mк = 4 мм, aи = a к= 200, tди = tдк = 12,57, мм.

2. Розміри зубця фрези в нормальному перетині.

Для забезпечення радіального зазору в зубчастій передачі висота зубця фрези приймається рівною

hи = 2,5m = 2,5∙4 = 10 мм;

haи = hfи = 1,25m = 1,25∙4 = 5 мм.

Висоту ніжки зубця черв’ячної фрези приймають на 0,25m більшою висоти головки зуба колеса, що нарізується, для того, щоб під час обробки запобігти контакту поверхні западин фрези з поверхнею виступів колеса.

Для забезпечення бічного зазору товщина зубця фрези по ділильній прямій приймається рівною

Sди= 0,5 tди + DS = 0,5∙12,57 + 0,2=6,48 мм,

де DS = 0,2 мм – гарантований бічний зазор залежно від модуля фрези [1].

1.3.2 Визначення конструктивних та геометричних параметрів фрези

До основних конструктивних параметрів фрези відносяться зовнішній діаметр фрези Da, довжина фрези L, діаметр отвору під оправку d, число і форма зубців, розміри і напрямок стружкових канавок, кути різальної частини. Ці параметри або вибирають по нормалям і стандартам, виходячи з паспортних даних верстата і досвіду експлуатації фрез, або розраховують.

1 Зовнішній діаметр фрези Daи.

При збільшенні діаметра фрези зменшується шорсткість і хвилястість оброблюваної поверхні, зростає продуктивність обробки, але при цьому збільшуються крутний момент, шлях врізання, витрата матеріалу і трудомісткість виготовлення фрези. З цих причин для чистових фрез зовнішній діаметр вибирається більшим, ніж у чорнових фрез, а в прецизійних – більшим, ніж у чистових.

З іншого боку, зовнішній діаметр, так само як діаметр отвору під оправку і загальна довжина черв'ячної фрези, повинні бути ув'язані з паспортними даними зубофрезерних верстатів.

Діаметр отвору під оправку повинний забезпечити необхідну жорсткість кріпильної оправки і міцність тіла фрези. Доцільно починати розрахунок з визначення d для фрез нормальної точності по залежності:

d = 20 m0,373=20∙40,373=33,54 мм, приймаю d = 34 мм.

Зовнішній діаметр фрези Dаи визначається за умовою

Dаи і 2H + 2р' + (C1 – d) =2∙16,6+2∙10,06+(3,3+34)=90,62 мм,

де - глибина стружкової канавки;

р'≥(0,25…0,3) d=0,3∙34=10,06 мм - товщина тіла фрези в небезпечному перетині;

С1=3,3 мм - розміри шпонкового паза за ДСТУ 9472–90;

rк= 2 мм – радіус округлення дна канавки;

K, K1 - величина остаточного і попереднього затилування; для попередніх розрахунків:

K ≈ 0,8π (2m + 1) tg 10°=0,8 (2∙4+1) tg 10=3,99 мм; приймаю K=4 мм

Κ1 = (1,2…1,4) К=1,3∙4=5,2 мм

Приймаю Dаи=100 мм.

Для остаточного уточнення d і Dаи варто виконати перевірку dвп по западинах стружкових канавок

dвп = Dаи – 2Н і 1,75d

dвп =100 – 2∙16,6 > 1,75∙34

66,8 > 58,7

Умова виконується

2. Довжина фрези.

В останні роки в серійному і масовому виробництві зубчастих коліс широко застосовуються верстати, що забезпечують осьові пересування черв'ячної фрези. Це дозволяє використовувати всю довжину різальної частини фрези і значно збільшити час між перезагострюваннями. Для найбільш повного використання можливості підвищення стійкості черв'ячні фрези виконують зі збільшеними довжинами різальної частини.

Довжина робочої частини фрези L1 визначається двома умовами:

1) правильністю профілювання зубців колеса, що забезпечується умовою

мм,

де hк = 9 мм – висота зубця колеса, що нарізається, мм;

Sди = 6,48 мм – товщина зубця фрези по ділильній прямій, мм.

2) забезпеченням вирізання металу з западин без перевантаження крайніх зубців, у цьому випадку довжина L1 визначається по точках перетинання окружності виступів колеса, що нарізається, і лінії зовнішнього діаметра черв'ячної фрези Dа в зачепленні

мм,

де zк = 35 – число зубців колеса, що нарізається.

Перший спосіб можна рекомендувати при чистовій обробці попередньо прорізаного зубчастого колеса.

При роботі фрез з осьовими пересуваннями для рівномірності зносу по всіх зубцях довжина L1 збільшується на (1…4) tос, де tос – осьовий шаг зубців.

Загальна довжина фрези з урахуванням контрольних буртиків:

L = L1 + 2ℓ= 79,5 + 10 = 89,5 мм

де ℓ = 5 мм – довжина контрольного буртика.

Діаметр контрольних буртиків вибирається конструктивно в межах

d < d < Dвп, приймаю d=50 мм

де Dвп =Dаи – 2Н= 100 – 2∙16,6 = 66,8 мм, діаметр западин фрези, мм.

По контрольних буртиках перевіряється торцеве і радіальне биття фрези при її установці на верстат.

3. Число зубців фрези

Число зубців фрези zи впливає на якість поверхні зубців колеса, що нарізується. З цього погляду zи варто збільшувати, однак при збільшенні zи зменшується товщина зубця, що зменшує його міцність і число перезагострювань.

Для чистових фрез число зубців орієнтовно розраховується по формулі

де

.

Для чорнових фрез число зубців можна приймати на 20–30% менше.

Приймаю zи = 10

4. Призначення кутів різальної частини.

Кути різання повинні мати наступні значення. Передній кут на вершині зубця gв=0°, що полегшує профілювання фрези.

При нульовому значенні переднього кута передня поверхня фрези розташовується в нормальному перетині, тому параметри зубця фрези в цьому перетині приймаються рівними параметрам зубця вихідної інструментальної рейки.

Задній кут на вершині зубця aв=10°.

5. Визначення бічного заднього кута.

Задній кут на бічній різальній кромці у перетині, перпендикулярному до неї, змінюється вздовж бічної різальної кромки і залежить від радіуса, на якому він визначається. Для довільної точки на бічній різальній кромці бічний задній кут визначається по формулі

;

де Rх - радіус окружності розташування довільної точки, для якої розглядається кут aбік, мм.

aвх – задній кут на окружності радіусом Rх.

Бажано, щоб для будь якого радіуса виконувалася умова aбікк≥3°. Тому значення бічного заднього кута розраховують для внутрішнього діаметра фрези Dfи

Dfи =Ddи – 2hи=100 – 2∙10 = 80 мм.

6. Визначення величини падіння затилку.

Для збереження профілю зубців фрези після перезагострювання задня поверхня фрези утворюється шляхом затилування. Для фрез класів точності В, С, D затилування виконують різцем без наступного шліфування, для фрез класів точності А, АА, ААА виконується подвійне затилування, спочатку різцем, потім шліфувальним кругом.

Величина падіння першого затилку, виконаного шліфувальним кругом, визначається по формулі

мм.

Результат округлюється до величини, кратної 0,5 мм.

Другий затилок К1 обробляють різцем. Шліфована частина зуба С повинна складати більше половини товщини зуба.

Величина другого затилку К1 у фрез зі шліфованим профілем дорівнює

, мм

8. Визначення параметрів стружкової канавки фрези.

Глибина канавки для фрез з профілем, який не шліфують:

, мм.

Кут розкриття стружкової канавки черв'ячної фрези qк призначається в залежності від zи

Радіус округлення дна канавки

, мм.

9. Розрахунковий діаметр ділильної окружності фрези.

Для збереження точності фрези при перезагострюваннях і збільшення числа перезагострювань вводиться розрахунковий перетин, який зміщений від передньої поверхні на (0,2…0,3) К. У цьому перетині розраховується теоретичний діаметр ділильної окружності фрези при m Ј 4:

Ddи = Daи – 2haи – 0,3K = 100 – 2∙10 -0,3∙4,5 = 78,65 мм.

10. Визначення кута підйому та напрямку витків вихідного черв’яка фрези.

Кут підйому витка вихідного черв'яка визначається на теоретичному ділильному діаметрі Ddи

,

де а = 1 – число заходів вихідного черв'яка.

Значення кута підйому витків розраховують з точністю 1``.

При виборі напрямку витків фрези бажано дотримувати наступного правила: для нарізання прямозубих коліс напрямок витків правий.

Визначення розмірів фрези в осьовому перетині

1. Визначення напрямку та кута нахилу стружкових канавок.

Черв'ячні фрези з кутом підйому витка tЈ3 можуть бути виконані з осьовими стружковими канавками або з гвинтовими. При t>3 стружкові канавки виконуються тільки гвинтовими. Приймаю виконання гвинтових стружкових канавок, тоді їх напрямок протилежний напрямкові витка фрези, а кут нахилу дорівнює кутові нахилу витка w = t.

Визначення параметрів зубців фрези.

Для можливості контролю правильності виготовлення фрези задаються шаг tос і товщина зуба Sос. в осьовому перетині.

, мм,

, мм.

3. Визначення шагу стружкових канавок.

Осьовий шаг гвинтовий стружкової канавки підраховується тільки для фрези з гвинтовими канавками

мм.

4. Кут установки фрези на верстаті.

Кут установки фрези на верстаті .

5. Визначення конструктивних параметрів зубців фрези.

Радіуси округлення бокової та вершинної різальних кромок зубця фрези приймається рівним r1 = 0,2m=0,8 мм. Значення округлюють до десятих часток мм.

Радіуси округлення бокової різальної кромки та западини r2 = 0,3m=1,2 мм.

1.4 Профілювання фрези

Профілювання черв'ячної фрези полягає у визначенні кута профілю вихідного черв'яка і корекції цього кута з урахуванням впливу затилування і форми стружкових канавки. При профілюванні черв'ячної фрези необхідно прагнути до дотримання двох умов:

різальні кромки повинні лежати на гвинтовій поверхні вихідного черв'яка;

задні затиловані поверхні повинні бути такими, щоб після перезагострювання різальні кромки залишалися на тій же поверхні вихідного черв'яка.

У черв'ячних фрез з радіальним затилуваням зубців після перезагострювання зменшуються діаметральні розміри. При використанні евольвентного черв'яка для черв'ячної фрези висока точність профілю може бути забезпечена тільки для нової фрези. Зі збільшенням числа перезагострювань різко погіршується точність через зменшення діаметральних розмірів і перевага по точності таких фрез губиться. Зберегти точність профілю евольвентних фрез можна тільки застосуванням осьового затилування, однак при перезагострюваннях таких фрез буде губитися точність товщини зубця.

Черв'ячні фрези на базі вихідного архімедового черв'яка (ГОСТ 9324–80) застосовуються найбільше широко через їхню технологічність. Профілювання таких фрез полягає в тім, що профіль теоретичного вихідного евольвентного черв'яка заміняється еквівалентним йому профілем архімедового черв'яка з прямолінійною утворюючою в осьовому перетині і визначається кут його профілю aэкв.

1. Визначення кута профілю вихідного черв'яка.

Кут профілю еквівалентного архімедового черв'яка визначається по залежності

,

де  – теоретичний кут зачеплення зубчастої передачі;

w – кут нахилу стружкової канавки фрези.

2. Визначення кутів профілю зубців фрези.

Кут профілю зубців черв'ячної фрези буде залежати від форми і розташування передньої поверхні. При прямих стружкових канавках і куті w=0 передня поверхня співпадає з осьовим перетином вихідного черв'яка, тоді кути правої і лівої сторін профілю будуть однакові і рівні aправ = aлев = aэкв.

Для фрез із гвинтовим розташуванням стружкових канавок кути профілю правої і лівої сторін будуть змінюватись за рахунок затилування. Кути профілю можна розрахувати по залежностях:

а) для правої сторони

;

б) для лівої сторони .

Верхні знаки відносяться до правозаходних фрез, а нижні – до лівозаходних.

Основні розміри стандартних черв’ячних фрез за ГОСТ 9324–80 наведені у табл. 2 додатку 2. Допуски на виготовлення фрез вибирають по ГОСТ 10331–81 і 9324–80, або по довіднику [6].

2. Розрахунок комбінованої розвертки

2.1 Вихідні дані

Розвертка комбінована для обробки отворів d1=20Н7, d2=22Н8, l1=40 мм, l2=60 мм, Rа =1,25 мкм

Залежно від діаметру розвертки бувають цільними і збірними, оскільки діаметри оброблюваних отворів не перевищують 32 мм, то виконуємо розвертку цільною.

Вихідні дані для розрахунку комбінованої розвертки

2.2 Граничні діаметри розвертки

– мінімальний діаметр відповідної ступені розвертки;

– верхнє граничне відхилення діаметру отвору відповідної ступені;

– допуск на розбивання отвору (приймається в інтервалі 0,01…0,02 мм).

2.3 Геометричні параметри розгортки

Оскільки при обробці отворів одержуємо відповідній 7й і 8й квалітети точності, то робимо висновок, що розгортка призначена для чорнової обробки. Таким чином вибираємо передній кут г=5°, задній кут б=8°. На калібруючій частині виконується стрічка f=0,2 мм.

Кут нахилу зубів виконується рівним нулю, що спрощує технологію виготовлення розгортки.

Головний кут в плані на огорожній частині вибираємо залежно від властивостей оброблюваного матеріалу. Оскільки оброблюваний матеріал – Чавун НВ180, то приймаємо ц=5°.

Довжина калібруючої частини визначається залежністю:

,

де – величина калібруючої частини сточування при одному переточуванні;

n=10 – число переточувань.

Таким чином:

Довжина огорожної частини ступені:

,

де – мінімальний діаметр огорожної частини;

t – глибина різання, оскільки розгортка чорнова, приймаємо t=0,2 мм;

m2=2 мм.

Таким чином одержуємо:

Довжина робочої частини ступені:

lф=2 мм – довжина фаскі

lок=5 мм – величина зворотного конуса

Число зубів розвертки:

Оскільки приймаємо, що розгортка є цільною, те число зубів визначається залежністю:

Приймаю

Розподіл зубів розгортки:

Для усунення ограновування отворів розподіл зубів розгортки повинен бути нерівномірним, різниця між сусідніми кутовими кроками визначається по формулі:

, тому що

Значення кутових кроків визначають по формулі:

,

де к – порядковий номер зуба.

Таким чином для першої ступені одержуємо:

Приймаю для першої ступені:

Аналогічним чином ведемо розрахунок кутових кроків зубів другого ступеня і зводимо одержані дані в таблицю:

Глибина стружкової канавки.

Глибину стружкової канавки доцільно виконувати змінній, що дозволяє використовувати для всіх стружкових канавок фрезу з постійним профільним кутом. Тоді глибину канавки можна визначити залежністю:

,

де - кут, відповідний ширині спинки;

ν=90° – кут профілю фрези;

с – ширина спинки зуба.

Таким чином для першої ступені вибираємо с для кожного зуба з табл. 6, МУ №150

Розраховуємо кути, відповідні ширині спинки:

Тоді глибини канавок рівні:

Аналогічним чином ведемо розрахунок для другої ступені